人民大会堂音质设计的奥秘
一
1958年9月初，北京市副市长万里传达了中央关于筹备庆祝新中国成立十周年活动的消息，说要建好十大建筑：万人大会堂、革命博物馆、历史博物馆、军事博物馆、国家大剧院、科技馆、艺术展览馆、民族文化宫，农业展览馆及工业展览馆（北京展览馆）。后来随着工程的进展和对经济能力的考虑，缓建国家大剧院和科技馆，代之以北京站和民族饭店。这时距离1959年国庆就只有一年多一点儿的时间了。万人大会堂（后改称人民大会堂）自然是重中之重，因为它是中国最高权力机关——全国人民代表大会 的会议场所，它要建在天安门广场。 当时在中国还没有专门的建筑声学设计人员，他就以电子学研究所声学研究室为基础，组织了七个有关研究单位和高等学校共同协作。他们遇到的难题首先就是，大会堂的体积非常大，有10000个座位，体积为91000立方米，总表面积19200平方米，声波的平均自由路程计算值为19米，实测则达到23米。根据音质设计的原则，按照座位的数目，厅堂的体积应尽量压低，这不但合乎经济原则，而且对声音传播也有利。演讲大厅以每个座位4.3立方米为宜，讲演和音乐兼用的则最好为每座位5.8立方米。可是人民大会堂已经是每座位9.1立方米，大大超过了一般标准。国外音质良好的厅堂最大也不过3万立方米，因此这样大的厅堂连可以参考的资料都找不到。其次，大会堂的形状接近扁椭圆形，这样的形状对声音的传播很不利。声音有沿墙传播的倾向，观众厅中央部分得到的反射声会很少，声场分布也不会均匀。由于尺度很大，从后墙反射回来的声音，比直达声晚了一两百毫秒，会形成严重的回声干扰。再次，穹隆形的顶棚最高有32米，反射一次就几乎要200毫秒，也会形成干扰。可是大会堂的建筑设计已定，体积和形状都不容更改，再加上人民大会堂是庄严伟大的建筑，到处都是大理石、拼花地板和厚地毯等高贵的材料，当时国内能够生产的吸声材料（木丝板、甘蔗板、穿孔板等）几乎无法与之相配。低频率声音的吸收问题更大。 由于当时的特殊情况，人民大会堂只能是边设计、边进料、边施工，不能按常规从容地先作好设计，声学工作也只能从属于整个工程。在大会堂建成之前，首先由中国建筑科学研究院按照已经决定的建筑体形和尺寸做了两个模型，一个模型尺寸为1：10，另一个为1：40，在模型里边用脉冲声进行试验，观察里边各地方的声反射情况。在建设过程中，还要到现场进行各项测量，因为那时他们除了按照一般建筑工程把混响时间作为第一评价标准以外，还在探讨第二评价标准。因为有时两个大小和混响时间都相差不多的厅堂，音质可能迥然不同。由于混响时间的公式，是在一个完全扩散的声场条件下得出的，所以声场扩散受到建筑声学家的注意。因而他们在完成人民大会堂音质设计任务的同时，还进行了这方面的研究工作。参加这些工作的除了电子学研究所声学研究室的人以外，还有中国建筑科学研究院的韩璘、黄哲伟、游叔中、叶恒健，北京城市规划设计院的向斌南、项端祈，清华大学的车世光，广播事业局的李齐勋等。 此外马大猷还与南京大学的魏荣爵、北京邮电学院的陈通（电声学专家，那时他刚从苏联留学归来）、同济大学的王季卿、太原工学院的陈绎勤等学术交往很多，征求他们的意见。特别是与魏荣爵教授的关系更为密切，加之南京大学是国内最早设置声学专业的大学，很多毕业生分配到电子学研究所，因而来往不断。在语言清晰度与混响之间的关系上，两个人曾有不同的看法，也有过学术争论，这对促进音质评价和语言清晰度问题的深入研究和发展起到了推动作用。马大猷很重视魏荣爵的意见，每当有重要的学术会议和研究生答辩时，总要尽量邀请魏先生参加。
根据使用的要求，马大猷提出了较高的设计指标： 在大会堂建成以后，这些指标基本上都达到了。听众在开会时对音质是完全满意的，认为比某些较小的礼堂还好；在音乐表演时，绝大多数听众也是非常满意的，少数人还有一些意见。 二 他们采取的具体措施是，首先根据大会堂实际布置的要求，确定设计混响时间为1.8秒，这对报告是适合的，可是对于音乐来说可能短了一点。10000名听众，再加上会堂内的各种设施，特别是走道的地毯有1700平方米，使混响时间在1000赫兹以上无法提高。为获得这一混响时间，他们对穹顶、周围墙裙都作了吸声处理。其次为了减少观众人数的变化对混响时间的影响，椅垫底面也作了吸声处理，底面打孔36个，里面填充矿渣棉，人不坐时翻过来可代替一部分人对声音的吸收。 经过仔细认真的分析认为，大会堂的音质势必采用电声系统来解决，具体办法主要有三个。第一，为开会听报告采用分散扬声系统，差不多每个座位前都有一个小型扬声器，听众听到的主要是面前扬声器传来的声音，不太受建筑大小、体型和混响时间的影响。这方面已经在华沙科学文化宫的扩声系统的运用中有了成功经验。在听众很少、只坐在楼下时，可以将楼上的小扬声器全部关掉，以减少混响的影响。第二，在音乐演出时，使用三路立体声系统，基本保持音乐的立体感，并且可以盖掉回声，增加声场的均匀性。所以，要用三路连用立体声，就是要在扬声器发出的声音和它的反射声之间再加上一些声音，以消除回声感觉。第三，由于高频的声吸收够大了，为保持音乐的美感，主要是增加低频的声吸收，所以采用了共振吸收结构。这样人民大会堂便成为世界上最大的、既可以开会又可以文艺演出的大型厅堂了。当然由于大会堂不是作为音乐厅来设计的，所以在音乐演出时，有音乐修养的听众就不那么满意了。